Биорекс - прибыльная технология утилизации и переработки бытовых, промышленных, сельскохозяйственных отходов производства, животноводства, древесины, пластика, нефтешламов, мусора, тбо в Газ, Электроэнергию, Топливо, Бензин, Тепло

К докладу на втором международном экологическом конгрессе ELPIT-2009,

г. Тольятти 24-29 сентября 2009г.

НЕКОТОРЫЕ  АСПЕКТЫ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ

Лихоманенко В. А,
ООО «ИнТех-Синтез»,
Цветкова И. В.
Тольяттинский государственный университет, кафедра химии

Традиционными методами утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) являются захоронения на полигонах, компостирование, сжигание[1].
Во вновь создаваемых региональных концепциях по утилизации твердых бытовых отходов, наряду с указанными методами, рекомендуется применение  «глубокой» сортировки ТБО с получением вторичных материальных ресурсов, одновременно с использованием традиционных методов[2]. 

Анализ научных публикаций, посвященных методам утилизации ТБО, не позволяет считать, где комбинация традиционных и « новых» концептуальных решений, может радикально изменить кризисное положение с утилизацией ТБО. Это подтверждается следующими аргументами.

• Свалочных газ - смесь метана, двуокиси углерода и сероводорода, образующийся в результате биохимического разложения органической части ТБО (компостирование), требует сложной очистки, что; многократно увеличивает стоимость конечных продуктов его использования (тепловой или электрической энергии) [3].
• Образующийся компост содержит значительное количество примесей - стекло, обрывки полимерной пленки, текстиля, фольги, а также, заметное количество тяжелых металлов[4].
• Механизированная сортировка ТБО по группам отходов, с отборов «полезных» компонентов, так же не в достаточной мере позволяет снизить объем захораниваемых ТБО. Отечественная и зарубежная практика показывает, что  отбор продуктов, пригодных для последующего использования, не превышает 6-7%. Кроме того, в обогащенных фракциях содержится не более 90% целевых продуктов, что предопределяет необходимость их дополнительной  сложной очистки[5,6].

Представленный анализ, а так же, цикл исследований выполненных авторами, позволяет утверждать, что ни одно из традиционных методов, включая  глубокую сортировку, не отвечает современным требованиям к утилизации ТБО:

• минимального объема захоронений на полигонах;
• повышение производства полезных продуктов переработки;
• снижения негативного влияния на окружающую среду.

 

Твердые бытовые отходы, по-своему элементарному составу и теплофизическим характеристикам близки к природным низкокалорийным топливам (таблица 1) [7].

Таблица 1. Элементарный состав и низшая теплота сгорания низкокалорийных топлив [7].

Наименование	Ср/Сг	Нр/Нг	Ор/Ог	Nр/Nг	Sр/Sг	Ар/-	Wр/-	Qр/Qг  Мдж/кг
Бурый уголь, Подмосковье	27,4/66,0	2,16/5,20	8,63/23,13	0,46/1,10	2,85/4,40	26,5/-	32/-	9,88/25,74
Торф, Подмосковье	24,7/56,5	25,0/6,00	15,20/34,80	1,10/2,50	0,1/0,2	6,3/-	50/-	8,11/26,84
Древесина	30,0/51,0	3,6/5,1	25,1/0,7	0,4/0,7	-/-	0,6/-	40/-	10,2/-
ТБО, несортир.	21,30/51,32	2,90/6,99	16,90/40.8	0,32/0,77	0,2/0,56	22,0/-	36,5/-	7,51/20,12
ТБО, сортиров.	25,0/-	3.2/-	19,8/-	0,51/-	0,16/-	10,3/-	39/-	6,69/-
ТБО, сортиров. и подсушен.	36,3	4,8	29,7	1,0	0,2	8	20	14,55

 

На основании этого, в конце прошлого века, распространилась практика сжигания ТБО на мусоросжигательных заводах, с целью получения тепловой энергии. В тоже время, имеющийся опыт облагораживания топлив, не  был учтен в достаточной степени, при создании мусоросжигательных заводов.  Как следствие, при эксплуатации мусоросжигательных заводов выявились серьезные негативные явления, связанные с высокой эмиссией в окружающую среду токсичных примесей, в том числе, соединений ртути, свинца, мышьяка, кадмия, кислых газов и диоксинов[8].
В современных установках мусоросжигания, в частности производимых ЗАО «Турмалин» (г. Санкт-Петербург) применяется многостадийный способ сжигания ТБО при температуре около 1500оС. [9].
По мнению разработчиков, такая технология позволяет в значительной мере свести к минимуму эмиссию вредных веществ в атмосферу, свести к минимальному объему зольный остаток от сжигания.
При детальном анализе технологии «Турмалин» и зарубежных технических решений выявлен ряд некорректных выводов. Так,  для обеспечения полноты сжигания ТБО и организации высокотемпературной зоны горения (1500оС), необходимо использование  природного топлива (газ, дизтопливо)   в количестве, превышающем собственный энергетический потенциал отходов (до 300 литров дизтоплива на 1тн ТБО). Кроме того, анализ содержания вредных веществ в газах термического обезвреживания отходов (на примере биологических и нефтяных отходов) показывают, что наряду со снижением содержания НСl и CO в температурном интервале 1200-1500оС возрастает содержание токсичных окислов азота NOx (более в 4 раза) и кислородсодержащих соединений хлора. Параллельно снижению содержания  НСl возрастает содержание супертоксикантов - ПХДД  (рис.1,2).

 

Этот факт ставит под сомнение распространенную точку зрения, что супертоксиканты типа ПХДД  полностью разлагаются  при температуре 1500 С. Также можно предположить, что образование супертоксикантов будут сопровождать процесс сжигания и других видов отходов, в частности ТБО. Таким образом, процесс термического уничтожения отходов, включая ТБО, требует иной организации процесса, чем их сжигание в избытке кислорода.
Такие методы, включают термического преобразования низкопотенциальных топлив в отсутствии кислорода, или его незначительного присутствие, успешно применялись  в первой половине прошлого века и получили наименование «Энерготехнологическая переработка органического сырья» [10,11].  Целью энерготехнологической переработки является, в первую очередь, преобразование твердых низкопотенциальных возобновляемых источников энергии (НВИЭ),  в смеси газообразных  и жидких углеводородов – сырьё для химической промышленности и энергоносители

Примерами современной энерготехнологической переработки, используемой в Европе, США и Японии, являются различные варианты пиролиза. По сути технических решений, все варианты установок можно свести к двум типам:

• низкотемпературный (НТ) пиролиз, в температурном интервале 400-600оС
• высокотемпературный (ВТ) пиролиз, в интервале температур 800-1200оС.

Органические вещества, составляющие основную часть отходов – резина, синтетические полимеры, макулатура, текстиль и прочие, не отличаются высокой термостойкостью. При нагревании в отсутствии окислителей, уже при 300-350оС,  наблюдается распад органических соединений с образованием термодинамически устойчивых продуктов.
При температуре 500-550оС процесс завершается с образованием жидких, газообразных и твердых горючих материалов, пригодных к применению в качестве энергоносителей и сырья для химической промышленности.
Эта традиционная технология, получила новое развитие, как одно из решений проблемы утилизации ТБО, так и возросшей потребностью промышленности в новых материалах и источниках энергии.
Исследованиями, проведенными Кузнецовым М. Б. с сотрудниками, показано, что в процессе низкотемпературного пиролиза, из органического сырья, возможно получение высококачественных поверхностно-активных веществ, исходных продуктов для  компонентов моторных топлив и газообразных энергоносителей[11].
Установлено, что пиролиз различных видов органического сырья, наиболее эффективно протекает в атмосфере восстановительных газов (водорода или синтез-газа), при  температуре 450-500оС. В этом случае получаемые жидкие продукты, по своим свойствам, аналогичны продуктам  фракционирования нефти. Кроме того, образование ПАУ и полихлорированных ароматических соединений, при пиролизе в восстановительной атмосфере, полностью подавляется. Применение катализаторов позволяет существенно снизить образование олефинов и ароматических соединений в жидких и газообразных продуктах пиролиза.
В процессе совместного пиролиза полимеров и биомассы (древесины) наблюдается увеличение выхода легкой фракции пиролизной смолы, соответствующей приделам кипения н.к.-180оС. результаты экспериментов показывают, что процесс протекает преимущественно в сторону  образования парафинов и нафтенов. Аналогичные результаты получены авторами, при исследовании процессов пиролиза изношенных автомобильных шин и ТБО (Табл. 2) [12-23].
Твердые продукты пиролиза смесей древесины и полимеров, содержат  5-6 % минеральных включений  и, после соответствующей подготовки, могут использовать в качестве твердого топлива.
Высушенные и отсортированные от  минеральных включений, твердые бытовые отходы, с  соотношением полимеров и биомассы 0,7-3, при пиролизе дают набор продуктов, по выходу и свойствам,  аналогичны полученным при переработке смеси биомассы с полимерами.

 
Таблица 2 ─ Выход продуктов и характеристики смесей жидких углеводородов ТХД - процесса.

№ п./п.	Наименование параметров	Показатели процесса
1	Сырье	Древесина + полимеры (1:1)	Древесина +  полимеры (1:1)	«Обогащенные» ТБО	резина/ 70% древесина 30%
2	Способ нагрева	в атмосфере восстановит. газа без Кт	в атмосфере восстановит. газа с Кт	в атмосфере  восстановит.  газа с Кт	в атмосфере восстановит. газа с Кт
3	Выход продуктов, % масс. - жидкие -газообразные -твердые	48.6 19.0 32.4	54.8 11.2 34.0	57-60 12-15 15-18	57-60 10-11 28-32
4	Свойства жидких продуктов: - плотность, кг/м3 - вязкость, н/м2/с - содержание серы	928 2.5 0.65	886 2.3 0.4	863 2.6 0.4	890 2.8 -
5	Фракция н.к – 200оС - выход от общего количества   жидких углеводородов, % - плотность, кг/м3; - вязкость, нм2/с Углеводородный состав: % - парафиновые - нафтеновые - ароматические - непредельные - кислородсодер.	30 0.736 0.8     50,8-57,7 - 6-22 23-40 1-2	48,9 0.8 -     60-72 1-2 12-18 11-14 1,5-3	51.6 0.785 0.76     55-60 5-6 10-16 3-8 2-4	52.0 0.82 0.78     48-55 25-30 12-14 1-3 5-8
6	Фракция 200-360оС - парафиновые - нафтеновые - ароматические - непредельные - кислородсодер.	19-64 4-9 4-5 20-34 1,5-3,0	52-78 25-30 4 -7,5 8-9 1-2	50-60 23-25 4-8 10-11 2-4	50-55 20-30 15-20 8-9 2-6

Вместе с этим, установлено, что состав, выход и свойства получаемых продуктов, в значительной степени зависят от морфологического состава сырья, соотношения синтетических и природных полимеров, их физических свойств.

Эти обстоятельства снижают возможность использования НТ-пиролиза в широком масштабе. В результате НТ-пиролиз получил распространения лишь в малотоннажных технологических процессах, например, при переработке изношенных автомобильных шин, с производительностью не более 3-4 тн/час.

Тем не менее, фракционная разгонка жидких продуктов продуктов НТ-пиролиза, позволяет получать качественный продукт, пригодный для использования в качестве заменителя дизельного топлива.
Изучение эксплутационных свойств синтетического дизельного топлива (СДТ), по сравнению со стандартным дизельным топливом ДТ(Л) и биотопливом, полученным переработкой растительных масел (РМР). Результаты испытаний (табл.3), показали преимущество СДТ в части снижения его удельного расхода, выбросов сажи, моноокиси углерода и температуры выхлопных газов – основных критериев, определяющих эксплутационные характеристики топлив.

При повышении температуры процесса до 800-1000оС, влияние морфологического состава сырья и его физических характеристик существенно снижается. Основным продуктом пиролиза, в этом случае, является горючий газ, с низшей теплотворной способностью 7-12 МДж/м3.

Таблица 3 ─ Эксплутационные показатели традиционных и синтетических жидких топлив.

Показатели	ДТ (Л) 100%	СДТ, 100%	МЭРМ, 100%	СДТ- 75%, РМР- 25%	СДТ-50%, РМР-50%	СДТ-25% РМР-75%	СДТ-25% РМР-75%
Плотность, кг/м3	830	825	856	840	860	890	837
Низшая теплота сгорания, мДж/кг	42.5	44.8	37.7	42.97	41.15	39.32	41.4
Удельный эффективный расход топлива кг/кВт час	0.240	0.227	0.260	0.237	0.248	0.259	0.247
Температура выхлопных газов, оС	484	480	489	479	486	510	490
Удельный выброс компонентов дымового газа, кг / кВтчас
СО2 Н2О N2 О2 Сажа, г/кВт.ч СО, г/кВт.ч	0.2949 0.0960 1.1140 0.0564 0.4110 0.1900	0.2960 0.0980 1.1100 0.0600 0.3060 0.1500	0.3100 0.1050 1.1220 0.0560 0.6000 1.7600	- - - - - -	- - - - - -	0.3000 0.1105 1.1280 0.0583 0.5200 1.7300	- - - - - -

Организация высокотемпературного процесса осуществляется путем подачи в реактор газообразных окислителей (воздуха, кислорода или их смесей с водяным паром), в существенном дефиците по сравнению с требуемым для процесса полного сжигания. Такая технология, в прошлом получила наименование газогенерация или ВТ-пиролиз.
Исследования процесса ВТ-пиролиза органического сырья, выполненные с участием авторов, позволили создать технологический агрегат ВТ-пиролиза, позволяющего перерабатывать сырьё широкого морфологического состава и естественной влажностью.

Особенностью разработки является возможность варьирования состава горючего газа: получение либо насыщенного газообразными углеводородами С1- С4, либо содержащего преимущественно, смесь водорода и моноокиси углерода (синтез-газ). В обоих случаях газ пиролиза пригоден для использования в газодизельных или газопоршневых агрегатах для производства электроэнергии.

Испытания, выполненные с применением газодизельного электроагрета мощностью 100 КВтч, показали высокую экологическую чистоту пиролизного газа, как топлива полностью отсутствуют выбросы сажи и углеводородов, значительно снижается содержание окиси углерода и окислов азота, температура дымовых газов, по сравнению с аналогичными показателями с применением природного газа и пропан-бутановой смеси (табл.4).

Таблица 4─Эксплуатационные показатели газодизельных энергогенерирующих установок.

Показатели	Природный газ	Пропан-бутан	Газ-ВТ-пиролиза
Мощность электрическая кВт час	100	100	100
Удельный расход топлива - газообразного    г (м3)/ кВт. Час   - дизельного, г/кВт час	1     47,7 (0,21)   60,0	205,7 (0,100)   57,3	260 (0,800)   60,0
Удельный выброс продуктов сгорания г/кВт час
-окислы азота -окись углерода -сажа - углеводороды	1,134 0,018 0,406 0,13	1.049 0,020 0,178 0,40	1.050 0,003 отс. отс.
Температура дымовых газов 0С	486	490	450

Кроме того, поскольку основную часть горючего газа составляют водород и окись углерода, т.е. восстановительные газы, образование токсикантов не происходит. Образующиеся кислые газы- H2S и HCl, легко нейтрализуются сравнительно простыми методами.

Газы ВТ-пиролиза, с высоким (~ 60%) содержанием синтез-газа, непосредственно на выходе из реактора, пригодны для использования в качестве сырья для производства синтетических жидких углеводородов, не содержащих соединений серы и ароматических углеводородов и являющихся экологически чистыми моторными топливами. Качественные и эксплутационные характеристики искусственных моторных топлив, соответствуют требованиям евростандартов. Исходным сырьем для производства СЖМТ может являться любые виды низкопотенциальных топлив, включая сельскохозяйственные отходы и ТБО.

Выход синтез - газа и, как следствие, выход синтетических жидких топлив, прямо зависят от содержания углерода в рабочем сырье.
Например, в случае переработки несортированного ТБО, выход СЖМТ не превышает 0,10-0,12 тн/тн сырья. В связи с этим, целесообразно проводить т.н. «облагораживание» ТБО путем его подсушки, сортировки от минеральных примесей, смешению с другими видами НВИЭ (таб.1).

 

Принципиальная схема термохимической переработки ТБО (НВИЭ) представлена на рис.3[24].

Рис.3 Принципиальная схема материальных потоков процесса термохимической переработки ТБО

1. Блок отделения минеральных включений составляющей (стекло, металлы, керамика) от органической части ТБО.
2. установка подготовки сырья (измельчение, диспергирование);
3. газификации органического сырья;
4. очистки синтез-газа от соединений серы, хлора и др.;
5. очистки синтез-газа от диоксида углерода;
6. блок синтез СЖМТ (синтез Фишера-Тропша);
7. сепарация жидких и газообразных продуктов синтеза;
8. ректификации синтетических жидких углеводородов;
9. блок изомеризации и компаундирования бензина.

Подготовка сырья (облагораживание), осуществляется с помощью стандартного оборудования и позволяет увеличить выход жидких углеводородов до 0,2 тн/тн, что соответствует аналогичным показателям при переработке древесины. В отдельных случаях, применение комбинированного сырья, позволяет получить до 0,3-0,35 тн СЖМТ на одну тонну сырья.
Аналогичным образом можно увеличить калорийность пиролизного газа, в случае его энергетического использования. В настоящее время в России, действует или строятся, не менее 5 технологических установок для переработки отходов различного происхождения в СЖМТ, или обеспечения производства тепловой и электрической энергии.

Успешная эксплуатация пилотных образцов установок высоко- и низкотемпературного пиролиза, в течение нескольких лет, позволяет сделать вывод о перспективности создания агрегатов средней мощности (20-50тыс. тн/год) для переработки низкопотенциального топлива, включая ТБО в энергию или энергоносители.

В разрабатываемой нами концепции энерготехнологической переработки НВИЭ, предусматривается комбинация обоих вариантов пиролиза, в сочетании с оборудованием подготовки и транспорта сырья, переработки ТБО и других видов отходов.

При создании агрегатов средней мощности появляются предпосылки к созданию локальной резервной энергосети, с использованием ТБО и других видов НВИЭ, на террритории 600-800 кв.км.

Такой подход позволяет решить целый ряд проблем, связанных с образованием отходов и их утилизацией:

• Осуществить переработку сырья различного происхождения и широкого морфологического состава: ТБО, иловые осадки городских стоков, сельскохозяйственные растительные отходы, древесные отходы, другие виды органических отходов;
• Обеспечить многовариантность производимой продукции - получение электрической и тепловой энергии или энергии и жидких углеводородов;
• Обеспечить экологическую чистоту переработки;
• Произвести очистку и обеззараживание целевых продуктов и полупродуктов непосредственно сразу после их образования, а не в конце процесса;
• Получить максимальное снижение объема исходного сырья (ТБО) от первоначального;
• Обеспечить развитие производственной инфраструктуры отдельных муниципальных предприятий и занятость населения;
• Существенно снизить затраты на производство электрической и тепловой энергии для жилого и производственного секторов.